功、熱和內(nèi)能的改變

【教學(xué)目標(biāo)】

一、知識與技能

1．知道絕熱過程的含義。

2．從熱力學(xué)的角度認(rèn)識內(nèi)能的概念。

3．理解做功與內(nèi)能改變之間的關(guān)系。

4．知道熱傳遞過程中，物體吸收（放出）熱量，溫度升高（降低），內(nèi)能改變。

5．了解熱量的概念，熱量的單位是焦耳。

二、過程與方法

1．通過觀察、思考，知道物體的內(nèi)能是系統(tǒng)的一個狀態(tài)量。

2．通過探究活動，培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力、提高學(xué)生科學(xué)思維水平。

3．通過類比方法，幫助學(xué)生建立內(nèi)能的概念。

三、情感、態(tài)度與價值觀

1．通過主動參與學(xué)習(xí)活動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

2．通過實驗活動，培養(yǎng)學(xué)生的實事求是的科學(xué)態(tài)度。

【教學(xué)重點】

1．做功與內(nèi)能改變關(guān)系的探究。

2．熱量與內(nèi)能改變關(guān)系的探究。

3．內(nèi)能概念的建立。

【教學(xué)難點】

內(nèi)能概念的建立。

【教學(xué)過程】

一、新課導(dǎo)入

指導(dǎo)學(xué)生實驗：冬天手冷，通常采取什么辦法變暖和？

演示實驗：活塞快速壓縮氣體，猜猜會發(fā)生什么？

指導(dǎo)學(xué)生實驗：沒有熱源，有什么辦法讓桌子上的鐵絲變熱？

演示實驗：銅管中的氣體被橡皮塞密封，給你一條繩子，有沒有辦法把橡皮塞彈開？

引出猜想：做功可改變物體的熱學(xué)狀態(tài)。

二、新課教學(xué)

（一）焦耳的實驗

1．提出問題：如何探究做功和系統(tǒng)熱學(xué)狀態(tài)改變之間的確切關(guān)系呢？

①用什么物理量標(biāo)識熱學(xué)狀態(tài)？

②我們應(yīng)該選擇固、液、氣哪個系統(tǒng)研究比較好？為什么？

③手舉量熱器量筒，問：放入水后，還需什么器材？

④問：溫度可以用溫度計監(jiān)測了，裝置完善了嗎？

⑤問：如何做功呢？用什么方式做功呢？

⑥討論：我們該如何設(shè)計機(jī)械做功呢？用手?jǐn)嚢鑶幔?/p>

2．焦耳實驗一（機(jī)械做功）

①焦耳實驗是如何測定做功的？

②這個實驗需要滿足什么條件？

③焦耳實驗是如何準(zhǔn)確測量做功的？

④我們需要記錄哪些實驗數(shù)據(jù)？表格怎么設(shè)計？

⑤介紹這個實驗的結(jié)論。

系統(tǒng)只由于外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，

這樣的過程叫做絕熱過程。

重物下落帶動輪葉旋轉(zhuǎn)，通過攪拌對絕熱容器內(nèi)的液體做功，使液體升溫，即狀態(tài)

發(fā)生變化。

結(jié)論：只要重力所做的功相同，容器內(nèi)水溫上升的數(shù)值都是相同的，即系統(tǒng)狀態(tài)的

變化是相同的。

3．焦耳實驗二（電流做功）

①如何設(shè)計電流做功？

②這個實驗需要滿足什么條件？

③如何準(zhǔn)確測量電流做功的？

④介紹：當(dāng)時條件所限，焦耳改用重物帶動發(fā)電機(jī)做功來實現(xiàn)。

⑤介紹這個實驗的結(jié)論。

電流通過電熱絲使絕熱容器內(nèi)的液體溫度升高。

結(jié)論：對同一系統(tǒng)，在絕熱過程中只要所做的電功相同，系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值就相

同，即系統(tǒng)的狀態(tài)變化相同。

4．引導(dǎo)得出實驗結(jié)論：

對于絕熱系統(tǒng)，從狀態(tài)1到狀態(tài)2，做功的值是一個定值，與具體做功的過程、方

式無關(guān)。

（二）功與內(nèi)能的改變

組織討論：從狀態(tài)1到狀態(tài)2，系統(tǒng)做的功是定值，與做功的過程、方式無關(guān)，這

說明了什么？

我們有沒有類似的經(jīng)驗：確定了初狀態(tài)、末狀態(tài)，中間做功就是定值了，跟做功方

式無關(guān)了？

分析動能定理、動量定理、重力勢能，思考確定初末狀態(tài)后，過程量也被唯一確定

了。

引導(dǎo)學(xué)生得出：一個狀態(tài)存在一個特定的物理量，此物理量應(yīng)該是能量。

引導(dǎo)建立內(nèi)能概念

1．內(nèi)能

任何一個熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個物理量

在兩個狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。我們把這個物理量稱

為系統(tǒng)的內(nèi)能。

得出功和內(nèi)能改變關(guān)系：

當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達(dá)到狀態(tài)2時，內(nèi)能的增加量=2?1就等于外

界對系統(tǒng)所做的功，即=?！??????

2．利用功和內(nèi)??能變化△規(guī)??律??解釋現(xiàn)象

（1）組織學(xué)生實驗：橡皮筋做功

①拉伸橡皮筋，觸碰，感受溫度變化；

②拉升狀態(tài)的橡皮筋收縮，觸碰，感受溫度變化；

③組織學(xué)生解釋現(xiàn)象。

（2）兩位同學(xué)上臺演示實驗：可樂瓶充氣

①高個子同學(xué)打氣，矮個子同學(xué)固定打氣筒；

②現(xiàn)象：橡皮塞彈開，可樂瓶里充滿白霧。

總結(jié)：做功可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能。功是系統(tǒng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度。

（1）外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加。

在絕熱過程中，內(nèi)能的增量就等于外界對系統(tǒng)做的功。即Δ＝2－1＝。

（2）系統(tǒng)對外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少。????????

在絕熱過程中，系統(tǒng)對外界做多少功，內(nèi)能就減少多少，即＝Δ。

例題1：下圖為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖，M、N??兩筒間??密閉了一定質(zhì)

量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動，設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑

動的過程中（）

A．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能增大

B．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能減小

C．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能增大

D．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能減小

答案：A

例題2：地面附近有一正在上升的空氣團(tuán)，它與外界的熱交換忽略不計。已知大氣

壓強(qiáng)隨高度增加而降低，則該空氣團(tuán)在上升過程中（不計氣團(tuán)內(nèi)分子間的勢能）（）

A．體積減小，溫度降低

B．體積減小，溫度不變

C．體積增大，溫度降低

D．體積減小，溫度不變

答案：C

（三）熱與內(nèi)能的改變

1．熱傳遞定義

師：有熱從高溫端傳到低溫端，究竟有多少熱過去？我們把這個量稱為熱量。熱量

從高溫端傳到低溫端的過程叫熱傳遞。

2．熱傳遞的方式

展示實驗：現(xiàn)場制造大火

燒烤金屬絲并引導(dǎo)：在金屬絲里傳遞熱量的方式叫熱傳導(dǎo)。

提問：上方空氣也熱，熱量是怎么傳上來的？

通過冷熱空氣對流將熱量傳遞上來的，這叫熱對流。

提問：在火的側(cè)邊也能感受到熱，熱量又是怎么過來的？

主要不是熱對流，是熱輻射，什么叫熱輻射？高溫?zé)霟岬奈矬w向外向外輻射電磁波，

也叫紅外線，它有顯著的熱效應(yīng)，被我們?nèi)梭w接收到就會感受到熱，所以熱輻射是高溫

熾熱的物體向外輻射電磁波的過程。

教師總結(jié)：熱傳遞的三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。

分析三種方式的特點：

熱傳導(dǎo)：熱沿著物體傳遞的熱傳遞方式，不同物質(zhì)傳到熱的能力各不相同，容易傳

到熱的物體稱之為熱的良導(dǎo)體，所有金屬都是熱的良導(dǎo)體，不容易傳導(dǎo)熱的物體稱之為

熱的不良導(dǎo)體，如空氣、橡膠、絨毛、棉紗、木頭、水、油等。

熱對流：靠液體或氣體的流動來傳遞熱的方式，熱對流是液體和氣體所特有的熱傳

遞方式。

熱輻射：熱從高溫物體向周圍以電磁波的形式沿直線射出去的方式，熱輻射不依賴

媒介質(zhì)，可在真空中進(jìn)行，溫差越大，表面顏色越深，物體向外的熱輻射能力越強(qiáng)。

3．感知熱傳遞過程

提問：熱傳遞過程究竟是怎么進(jìn)行的，熱量又是如何從高溫端傳到低溫端的？我們

能否親眼見證傳熱過程？

引導(dǎo)：熱傳遞過程最明顯的痕跡是什么？

生：溫度變化

引導(dǎo)提問：感知到溫度變化也就間接感受到了熱傳遞，有什么辦法可以感知到溫度

變化？

生：溫度計（操作性不行）

（1）演示實驗（一）

實驗器材：感溫勺子、冰淇淋

操作：感溫勺子放入冰激凌中

現(xiàn)象：勺子顏色發(fā)生變化

理答：感溫材料，遇到不同的溫度會顯示不同的色彩，可以幫助我們觀察熱傳遞。

（2）演示實驗（二）（熱感攝像儀觀察銅絲中的熱量“傳遞”）

實驗儀器：熱感攝像儀、銅絲、打火機(jī)（酒精燈）、顏色相同材料一致的背景、手

機(jī)及手機(jī)支架

步驟：銅絲、手機(jī)固定，手機(jī)攝像頭對準(zhǔn)銅絲，用酒精燈給金屬絲一端加熱，觀察

攝像儀里的現(xiàn)象。

現(xiàn)象：熱量從高溫端逐漸向低溫端傳遞，能看到傳遞的動態(tài)效果。

師：通過熱感儀可以看到熱量從高溫端向低溫端傳遞。

提問：熱傳遞過程何時終呢？終結(jié)的特征是什么？

生：等溫

反問：親眼見證過嗎？

（3）演示實驗（三）（熱感攝像儀觀察液體中的熱量“傳遞”）

實驗儀器：透明上下層玻璃管、熱水、冷水、熱感攝像儀、溫度傳感器

步驟：在玻璃管下層倒入熱水，再倒入冷水（量不一樣多），打開隔熱板，分別將

兩個溫度計插入上下兩層水中，用熱感儀觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象：經(jīng)過一段時間的熱對流，在熱感儀畫面中上下層顯示亮度一樣，溫度相同，

借助溫度傳感器也發(fā)現(xiàn)溫度相同。

教師總結(jié)：熱傳遞結(jié)束的特征是兩個系統(tǒng)等溫。

那么如果物體間要發(fā)生熱傳遞，有什么條件？

4．發(fā)生熱傳遞的條件：當(dāng)物體之間或物體的不同部分之間存在溫度差時才能發(fā)生

熱傳遞。

例題3：關(guān)于熱傳遞，下列說法正確的是（）

A．熱傳遞的實質(zhì)是溫度的傳遞

B．物體間存在溫度差，才能發(fā)生熱傳遞

C．熱傳遞可以在任何情況下進(jìn)行

D．物體內(nèi)能發(fā)生改變，一定是吸收或放出了熱量

答案：C

5．熱與內(nèi)能的改變

提問：對于這杯水，攪拌，也就是摩擦做功可以讓他系統(tǒng)內(nèi)能增加，如果不攪拌，

拒絕一切做功，如果使其內(nèi)能增加？

生：加熱，熱傳遞

提問：熱傳遞時如何使系統(tǒng)內(nèi)能增加的？

將熱量從其他物體轉(zhuǎn)移到這個系統(tǒng)中來。

提問：內(nèi)能的增量和傳遞的熱量有什么關(guān)系？

引導(dǎo)提問：假設(shè)有2J的熱量從外界轉(zhuǎn)移到這個系統(tǒng)當(dāng)中，內(nèi)能如果改變？

生：增加2J

反問：熱傳遞能不能使系統(tǒng)內(nèi)能減少？如何去描述？

生：可以，將熱量從這個系統(tǒng)轉(zhuǎn)移出去

提問：將2J的熱量從這個系統(tǒng)轉(zhuǎn)移出去，系統(tǒng)內(nèi)能怎么變化？

生：減少2J

教師總結(jié)：

熱量是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過單純的傳熱

達(dá)到狀態(tài)2，內(nèi)能的增量=2?1就等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量，即=。

當(dāng)熱量轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)當(dāng)△中??，?稱?為?吸?熱，內(nèi)能增加。??△????

當(dāng)熱量從系統(tǒng)轉(zhuǎn)移出去，稱為放熱，內(nèi)能減少。

6．內(nèi)能與熱量的區(qū)別：

（1）內(nèi)能是一個狀態(tài)量，一個物體在不同的狀態(tài)下有不同的內(nèi)能。

（2）熱量是一個過程量，它表示由于熱傳遞而引起的變化過程中轉(zhuǎn)移的能量，即

內(nèi)能的改變量。

（3）如果沒有熱傳遞，就沒有熱量可言，但此時仍有內(nèi)能。

（四）做功和熱傳遞的區(qū)別

師：做功和熱傳遞都可以改變系統(tǒng)內(nèi)能，對于某個系統(tǒng)（指著水，言中有物），做

功可以讓它內(nèi)能增加2J，熱傳遞也可以讓他內(nèi)能增加2J，結(jié)果一樣，方式不同。

提問：做功和傳熱有什么區(qū)別？

引導(dǎo)提問：從能量守恒角度思考，內(nèi)能增加，能從哪來？內(nèi)能減少，能又去了哪？

師：能的來去對于做功和熱傳遞來說是不一樣的，所以我們有必要從能的來去角度

去比較做功和傳熱的區(qū)別。

提問：從做功的角度來說說生活中有哪些實例是通過做功使內(nèi)能增加的，增加的內(nèi)

能從哪來？

生：搓手，摩擦生熱，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；通電，電阻發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；

太陽能熱水器，光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

反問：反過來，內(nèi)能減少，能量又去了哪？給大家2分鐘時間討論下，到時候一起

分享下。

生：蒸汽機(jī)，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；

反問：內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化成電能？

生：燒煤發(fā)電，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能

理答：燒煤發(fā)電，內(nèi)能是直接轉(zhuǎn)化為電能嗎？他內(nèi)能先轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，推動發(fā)電機(jī)

發(fā)電。

反問：有沒有直接從內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能的例子？

演示實驗（四）

實驗器材：溫差發(fā)電器、冷水、熱水

操作：演示倒水形成水流；在溫差發(fā)電器的左右兩邊分別放入冷水和熱水，插入溫

差發(fā)電器

現(xiàn)象：電動機(jī)轉(zhuǎn)動

現(xiàn)象解釋：水流可以發(fā)電，一邊是熱水一邊是冷水，形成溫差，產(chǎn)生熱傳遞，也就

是熱流，熱流也可以發(fā)電。

反問：內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化成光能嗎？

生：白熾燈，發(fā)熱后，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為光能

教師總結(jié)：其他能與內(nèi)能之間可以相互轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化過程中能量形式在發(fā)生變化，

熱傳遞過程只是把系統(tǒng)的內(nèi)能轉(zhuǎn)移到另一個物體上去，還是內(nèi)能，能量形式并沒有發(fā)生

變化。

做功和熱傳遞在本質(zhì)上是不同的：

做功使物體的內(nèi)能改變，是其他形式的能量和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化（不同形式能量間的

轉(zhuǎn)化）。

熱傳遞使物體的內(nèi)能改變，是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移（同種形式能量的轉(zhuǎn)移）。

【練習(xí)鞏固】

1．如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體密封在絕熱（即與外界不發(fā)生熱交換）容器中，

容器內(nèi)裝有一可以活動的絕熱活塞。今對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向

下移動一段距離后，氣體的體積減小。若忽略活塞與容器壁間的摩擦力，則被密封的氣

體（）

A．溫度傳感器

B．壓力傳感器

C．磁傳感器

D．光傳感器

答案：C

2．如圖所示，絕熱容器中間用隔板隔開，左側(cè)裝有氣體，右側(cè)為真空?，F(xiàn)將隔板

抽掉，使左側(cè)氣體自由膨脹直至達(dá)到平衡，則在此過程中（不計氣體的分子勢能）（）

A．氣體對外界做功，溫度降低，內(nèi)能減少

B．氣體對外界做功，溫度不變，內(nèi)能減少

C．氣體不做功，溫度不變，內(nèi)能不變

D．氣體不做功，溫度不變，內(nèi)能減少

答案：C

3．下列說法正確的是（）

A．分子的動能與分子的勢能的和叫做這個分子的內(nèi)能

B．物體的分子勢能由物體的溫度和體積決定

C．物體的速度增大時，物體的內(nèi)能增大

D．物體的內(nèi)能減小時，物體的溫度可能增加

答案：D

4．一個鐵塊沿斜面勻速滑下，關(guān)于物體的機(jī)械能和內(nèi)能的變化，下列判斷中正確

的是（）

A．物體的機(jī)械能和內(nèi)能都不變

B．物體的機(jī)械能減少，內(nèi)能不變

C．物體的機(jī)械能增加，內(nèi)能增加

D．物體的機(jī)械能減少，內(nèi)能增加

答案：D

5．如圖所示，絕熱具有一定質(zhì)量的活塞，活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，

活塞與器壁的摩擦忽略不計，置于真空中的輕彈簧的一端固定于理想氣體容器的底部。

另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮后用繩扎緊，此時彈簧的彈性勢能為